《Bioengineering》：Center of Resistance for Maxillary Protraction in Patent and Fused Palatal-Suture Configurations: A Three-Dimensional Finite Element Study
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**摘要**
**目的：** 采用三维有限元分析，确定并比较融合与未融合腭缝模型中上颌前牵引的阻力中心（Cres）。**研究设计：** 基于一名10岁上颌发育不足女性的锥形束计算机断层扫描（CBCT）数据构建三维颅面模型，分别建立腭缝融合与未融合模型。有限元
**摘要**
**目的：** 采用三维有限元分析，确定并比较融合与未融合腭缝模型中上颌前牵引的阻力中心（Cres）。**研究设计：** 基于一名10岁上颌发育不足女性的锥形束计算机断层扫描（CBCT）数据构建三维颅面模型，分别建立腭缝融合与未融合模型。有限元分析评估了不同垂直位置（H1–H4）矢状向前牵引力（10 N）以及不同矢状位置（V1–V5）垂直向力（10 N）作用下的位移模式。产生最小旋转、位移最均匀的力作用点被确定为阻力中心（Cres）。**结果：** 在腭缝融合模型中，矢状向加载时Cres位于H3.3（眶下缘水平，位于??平面与眶下缘中点连线上方15 mm）；垂直向加载时Cres位于V3.6（颧突下缘稍后方，位于后鼻棘前方15 mm）。在腭缝未融合模型中，Cres保持在相似水平但向侧方偏移，需在腭中缝外侧20 mm处施力方可实现平移运动。靠近腭中缝施力导致上颌骨段前部张开、后部收拢，而在上颌骨外侧缘施力则产生相反的旋转模式。**结论：** 在两种腭缝构型下，鼻上颌复合体的阻力中心（Cres）在矢状向加载时均位于眶下缘附近，在垂直向加载时均位于颧突稍后方。在未融合腭缝中，最佳的平移运动需要在腭中缝外侧20 mm处双侧施力。这些发现提供了个体化的生物力学信息，可能有助于上颌前牵引力系统的设计与评估。
**上颌前牵引阻力中心的三维有限元研究：论文解读**
**一、研究背景与意义**
骨性Ⅲ类错??在东南亚人群中具有较高的患病率，主要影响面中部骨骼结构，临床表现为下颌前突和/或上颌后缩，导致前牙反??、反覆盖及功能性移位等特征。对于骨骼发育未成熟的患者，上颌前牵引面罩治疗是主要的生长改良手段。然而，颅面复合体在受力时产生的位移模式和应力分布受到鼻上颌复合体阻力中心（Cres）的显著影响。阻力中心是理论上施加力能够产生纯直线移动而不引起旋转的参考点，其精确位置的确定直接关系到矫形力系统的设计和治疗方案的选择。
当前临床上常用的上颌前牵引装置，包括面罩式前牵引器和骨支抗式上颌前牵引器（BAMPs），其施力方向多基于临床经验而非力学优化的力向量。腭中缝的开放状态显著影响矫形力的力学响应，然而现有临床方案很少根据个体腭缝融合状态差异化设计治疗方案。既往关于鼻上颌复合体阻力中心空间位置的研究存在明显局限：二维头影测量分析通常将Cres定位于后上颅底附近，而有限元研究多将其定位于眶下缘或颧支柱区域，各研究结果存在差异。更重要的是，既往研究主要关注矢状向和垂直向的分析，忽略了横向平面的评估，而鼻上颌复合体本质上是一个三维结构。此外，多数研究采用成人颅骨模型，无法准确代表面罩治疗主要实施阶段的混合牙列期青少年患者。成人与青少年颅面形态的差异包括腭中缝融合状态、牙列发育阶段、牙弓尺寸、颅底构型及上颌骨形态等。因此，本研究旨在通过全面的三维有限元分析，阐明腭缝开放与融合两种状态下鼻上颌复合体Cres的精确空间坐标，为临床个体化上颌前牵引力系统的设计提供生物力学依据。该研究成果发表于《Bioengineering》期刊。
**二、主要技术方法**
本研究采用锥形束计算机断层扫描（CBCT）影像数据构建三维颅面模型，研究对象为一名10岁上颌发育不足（SNA ≤ 74°）的女性患者。利用Mimics软件2023进行三维重建和图像分割，SolidWorks 2017构建颅骨计算机辅助设计（CAD）模型，ANSYS Workbench 2021r2执行有限元分析。模型包含颅底、鼻骨、颧复合体、带牙列的上颌骨及相关颅面缝，采用4节点线性四面体单元（标称尺寸1 mm）离散化，最终网格包含968,156个节点和558,043个单元。分别建立腭缝融合与未融合两种模型：融合模型将缝间连接整合为统一实体，模拟成人完全骨化状态；未融合模型保留左右上颌骨段分离及缝间隙，设定不同弹性属性模拟儿童顺应性腭缝。边界条件为枕骨大孔周缘在三个平动方向（X、Y、Z）上约束。加载条件分为矢状向前牵引力（沿垂直方向不同高度H1–H4）和垂直向力（沿矢状方向不同位置V1–V5），单侧各施加5 N、总量10 N的力。
**三、研究结果**
**3.1 矢状向前牵引力作用下阻力中心的垂直位置确定**
**3.1.1 腭缝融合模型**
在H1最低位置施力时，下方解剖标志点（A、B、C、D、E、F）较上方标志点（G、H）产生更显著的前移，表现为鼻上颌复合体的逆时针旋转；H2位置产生类似但减弱的旋转效应；H3位置则产生所有八个解剖标志点的均匀前移；H4位置产生与H1和H2相反的效果，上方结构位移最大，呈顺时针旋转。进一步在H3附近以±5 mm和±10 mm间距进行精细搜索（H3.1–H3.5），结果显示较低施力水平（H3.1、H3.2）引起逆时针旋转，较高水平（H3.4、H3.5）引起顺时针旋转，而H3.3位置产生八个标志点的均匀移动，即为矢状向前牵引力作用下阻力中心的精确位置。
**3.1.2 腭缝未融合模型**
以融合模型确定的H3.3线为参考，在腭中缝内缘（HTR、HTL）、外侧10 mm（HT1R、HT1L）、外侧20 mm（HT2R、HT2L）和外侧缘（HT3R、HT3L）分别施力。结果显示：腭中缝内缘施力时，靠近面中线的点（A、B、C、F、H）前移大于外侧点（D、E），横向分析显示前部点（A、F、G、H）向外移动而后部点（C、D）向内移动，表明上颌骨段前部张开旋转；外侧10 mm施力产生类似但较弱的旋转效应；外侧20 mm施力则产生左右上颌骨所有八个点的均匀一致前移，无旋转发生；外侧缘施力产生与内缘相反的效应，远中线点（D、E）前移更显著，后部腭区向外扩张而前部轻度缩窄。因此，腭缝未融合时，在H3.3高度、距腭中缝外侧20 mm处双侧施力可获得最佳平移运动。
**3.2 垂直向力作用下阻力中心的矢状位置确定**
**3.2.1 腭缝融合模型**
在V1位置施力时，前部区域（点A、E、F、G、H）较后部区域（点C、D）产生更大的向下位移，呈顺时针旋转；V2产生类似但减弱的效果；V3产生八个标志点的均匀向下位移；V4和V5则产生相反效应，后部结构向下位移大于前部，呈逆时针旋转。在V3附近以2.5 mm间距进行精细搜索（V3.1–V3.8），位置V3.1–V3.5产生前部点稍大于后部点的向下位移，V3.7和V3.8产生相反模式，而V3.6位置（位于后鼻棘前方15 mm）产生所有八个解剖标志点的均匀垂直移动，即为垂直向力作用下阻力中心的精确位置。
**3.2.2 腭缝未融合模型**
以融合模型的V3.6线为参考，在腭中缝内缘（VTR、VTL）、外侧10 mm（VT1R、VT1L）、外侧20 mm（VT2R、VT2L）和外侧缘（VT3R、VT3L）分别施力。结果显示：内缘施力时，靠近面中线的点（A、B、C、F、H）向下位移显著，而最外侧的E点位移最小；横向分析显示下方结构（A、B、C、D、F）向外扩张而上部结构（G、H）向内移动，呈扇形展开的旋转扩散模式。外侧10 mm施力产生类似但减弱的响应。外侧20 mm施力则产生所有点（A–H）沿垂直轴的均匀一致向下移动，无旋转效应。外侧缘施力产生相反模式，外侧点E位移大于内侧点，横向分析显示腭部区域上颌骨段轻微向内旋转。因此，腭缝未融合时，在V3.6矢状位置、距腭中缝外侧20 mm处双侧施力可获得最佳平移移动。
**四、讨论与结论**
本研究通过三维有限元分析揭示了腭缝融合状态对上颌前牵引阻力中心位置的影响。研究发现，无论腭缝融合与否，鼻上颌复合体的Cres在矢状向前牵引力作用下的垂直位置均位于眶下缘水平（H3.3），在垂直向力作用下的矢状位置均位于颧骨下缘稍后方（V3.6）。两种状态的主要差异体现在横向平面：腭缝未融合时，左右上颌骨为独立单元，需要分别评估其Cres，且Cres向侧方偏移，需在腭中缝外侧约20 mm处施力方可实现平移运动。
研究结果对临床实践具有重要指导意义。传统面罩治疗通常引起上颌骨向前上方的位移伴逆时针旋转，增加下面高并可能影响面部美观。本研究发现，在腭缝未融合的患者中，靠近中线施力（HT位置）可导致双侧上颌骨分离，前部张开、后部收拢，这对伴有横向发育不足和腭前部缩窄的唇腭裂患者具有治疗优势；而外侧缘施力（HT3位置）则产生与前人报告的反向头帽前牵引装置连接上颌第一磨牙时一致的腭前部缩窄效应。因此，当无需腭部扩展时，侧方施力或直接对准阻力中心施力为最优方案。对于腭缝融合的青春晚期或成人患者，需要通过牵张成骨矫正骨性Ⅲ类错??，本研究确定的Cres位置使临床医师能够沿平行于Frankfort水平面的向量实现可控的上颌前移，同时将垂直向变化降至最低。
结论：在有限元模型的局限范围内，腭缝状态影响阻力中心的预测横向位置。融合模型中，估算的阻力中心位于垂直向H3.3和矢状向V3.6；未融合模型显示出相似的垂直和矢状位置，但实现主导性平移位移需要额外在腭中缝外侧约20 mm处进行横向偏移施力。这些发现为上颌矫形力系统的设计提供了有用的生物力学信息，直接临床应用前仍需进一步的个体化及实验验证研究。
